1
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
LỜI NÓI ĐẦU
Taymáyrobotđãcómặttrongsảnxuấttừnhiềunămtrước,ngàynaytaymáyRobot
đãdùngởnhiềulĩnhvựcsảnxuất,xuấtpháttừnhữngưuđiểmmàtaymáyRobotđó
vàđúckếtlạitrongquátrìnhsảnxuấtlàmviệc,taymáycónhữngtínhnăngmàcon
ngườikhôngthểcóđược,khảnănglàmviệcổnđịnh,cóthểlàmviệctrongmôitrường
độchại… Dođóviệcđầutưnghiêccứu,chếtạoranhữnglạitaymáyRobotphụcvụ
chocôngcuộctựđộnghóasảnxuấtlàrấtcầnthiếtchohiệntạivàtươnglai.
Mônhọc‘Đồán:THIẾTKẾHỆTHỐNGCƠĐIỆNTỬ‘giúpchúngembướcđầulàm
quen,tìmhiểu,họccáchmôphỏngnhữngtaymáyRobotcôngngiệpvàrấtcóíchcho
chúngemsaunày.
TrongquátrìnhhọcmônĐỒÁN:THIẾTKẾHỆTHỐNGCƠĐIỆNTỬchúngem
cònnhiềuthiếtsót,mongthầychỉbảothêmchoem.
Chânthànhcảmơn
Sinhviênthựchiện:
Nguyễn Hà Nam
2
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
MỤCLUC
Trang
4
5
6
9
12
13
14
16
17
21
22
22
24
26
34
43
44
45
50
3
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
4
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNamCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1 Khái niệm về robot công nghiệp
Robotcôngnghiệpcóthểđượcđịnhnghĩatheomộtsốtiêuchuẩnsau:
TheotiêuchuẩnAFNORcủaPháp:Robotcôngnghiệplàmộtcơcấuchuyểnđộng
tựđộngcóthểlậptrình,lặplạicácchươngtrình,tổnghợpcácchươngtrìnhđặtratrên
cáctrụctọađộ,cókhảnăngđịnhvị,địnhhướng,dichuyểncácđốitượngvậtchấtnhư
chitiết,đạocụ,gálắptheonhữnghànhtrìnhthayđổiđãđượcchươngtrìnhhóanhằm
thựchiệncácnhiệmvụcôngnghệkhácnhau.
TheotiêuchuẩnRIAcủaMỹ(RobotinstituteofAmerica): Robotlàmộttaymáy
vạnnăngcóthểlặplạicácchươngtrình,đượcthiếtkếđểdichuyểnvậtliệu,chitiết,
dụngcụ,hoặccácthiếtbịchuyêndùngthôngquacácchươngtrìnhchuyểnđộngcóthể
thayđổiđểhoànthànhcácnhiệmvụkhácnhau.
TheotiêuchuẩnTOCT25686-85củaNga: Robotcôngnghiệplàmộtmáytựđộng,
đượcđặtcốđịnhhoặcdiđộngđược,liênkếtgiữamộttaymáyvàmộthệthốngđiều
khiểntheochươngtrình,cóthểlặpđilặplạiđểhoànthànhcácchứcnăngvậnđộngvà
điềukhiểntrongquátrìnhsảnxuất.
Robotcôngnghiệplàtaymáy,thiếtbịcốđịnhhoặcdiđộng,đượctíchhợptừnhiều
bộphậntrongđócócácbộphậnchínhgồm:
Cơcấuchấphành
Hệthốngdẫnđộng
Hệthốngđiềukhiểntheochươngtrìnhcókhảnănglậptrìnhlinhhoạt
Hệthốngthôngtingiámsát
Dođó,robotcôngnghiệpcóthểđượchiểulànhữngthiếtbịtựđộnglinhhoạt,thực
Robotics,RobotDynamics…cùngvớinhữngsảnphẩmnổitiếngnhư:robotlấysáchtự
động,robotHOAP-3,robotBEAR,robottựhànhSpiritandOpportunity…
6
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
-80côngtycủaNhật,tacóthểlấymộtsốcôngtyđiểnhìnhnhư:Fanuc,Toyota,Honda,
Hitachi,Kawasaki,shikawajima-Harima,Yasukawa…Cùngvớinhữngsảnphẩmrobot
đượcápdụngphổbiếnnhư:robotAsimo,robotEMIEW2,robotSimroid,robotchơi
vĩcầm,robotphẫuthuật……
Ngoàira,trên thế giớicòn có 90 côngtycủa TâyÂuvà một số côngtycủaNga,
Tiệp….Dođó,tacóthểthấyrằngrobotlàmộtlĩnhvựcnghiêncứuvàứngdụngkhông
thểthiếucủanhữngnướcpháttriển.
TạiViệtNam,nghiêncứupháttriểnrobotđãcónhữngbướctiếnđángkểtrong
25nămvừaqua.Nhiềuđơnvịtrêntoànquốcđãthựchiệncácnghiêncứucơbảnvà
nghiêncứuứngdụngvềrobotnhư:TrungtâmTựđộnghoá-ĐạihọcBáchKhoaHà
Nội,ViệnĐiệntử-Tinhọc,ViệnKhoahọcvàCôngnghệquânsự,HọcviệnKỹthuật
Quânsự,ViệnCơhọc,ViệnCôngnghệthôngtinthuộcViệnKHCNVN…
Bêncạnhđó,cònphảikểđếnCôngtyCổphầnRobotTOSYdoanhnghiệpthiếtkếvà
chếtạoRobotViệtNamcónhiềusảnphẩmấntượngtrêntrườngquốctế.
Cácnghiêncứuvềđộnghọcvàđộnglựchọcrobotđượccáckhoacơkhí,chế
tạomáyởcáctrườngđạihọcvàcácviệnnghiêncứuquantâm.Ngoàiviệctìmcác
phươngphápgiảicácbàitoánliênquanđếncơhọccủacácloạirobotnốitiếp,song
song,diđộng,thìcácchươngtrìnhmôphỏngkếtcấuvàchuyểnđộng3Dđượcápdụng
vàpháttriểnđểminhhọacũngnhưphụcvụchophântích,thiếtkếrobot.
Lĩnhvựcđiềukhiểnrobotrấtphongphú,từcácphươngphápđiềukhiểntruyềnthống
nhưPID,phươngpháptínhmômen,phươngphápđiềukhiểntrượtđếncácphương
phápđiềukhiểnthôngminhnhư:điềukhiểnsửdụngmạngnơron,logicmờ,thuậtgen
vàcácphươngphápđiềukhiểntựthíchnghi,cácphươngpháphọcchorobot,cáchệ
visualservoing.
1.3 Phân loại robot công nghiệp
Phân loại theo kết cấu
sơn,robothàn,robotlắpráp,robotdùngtrongngànhdịchvụ,robotchuyểnphôi.
Hình 1.3: Robot sơn trong công nghiệp
9
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
Hình 1.4 Robot hàn trong công nghiệp
1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp
Trên thế giới
Hiệnnaytrênthếgiới,donhucầusửdụngrobotngàycàngnhiềutrongcácquá
trìnhsảnxuấtphứctạpvớimụcđíchgópphầnnângcaonăngsuấtdâychuyềncông
nghệ,giảmgiáthành,nângcaochấtlượng,vànângcaokhảnăngcạnhtranhcủasản
phẩmđồngthờicảithiệnđiềukiệnlaođộng,nênrobotcôngnghiệpcầncónhữngkhả
năngthíchứngtốtvàthôngminhhơnvớinhữngcấutrúcđơngiảnvàlinhhoạt.Cóthể
kểđếnmộtsốứngdụngđiểnhìnhcủarobottrênthếgiớinhư:Robot song song dùng
trong phân loại và đóng gói sản phẩm:IRB 660 Flex Palletizer, IRB 340 FlexPicker,
IRB 260 FlexPicker. Cácrobotnàycóthểgắplầnlượtcáchộpvắcxinbạiliệttừbăng
tảivàđặtnóvàothùnggồm20hộpmộtcáchchínhxác.
Hình 1.5: Robot dùng trong nghành dược phẩm
10
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
Hình 1.6: Robot dùng ép phun nhựa
Robot vận chuyển và đóng gói sản phẩm:Robotđónggóivàvậnchuyểntrongphạmvi
rộngcácsảnphẩmkhácnhau:giườngđónggóiphẳngvàngănkéo.
Hình 1.7: Robot dùng trong ngành nội thất
Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa:IRB 6650 củahãngABBcóthểthaotác
nhanh,dễdànglấysảnphẩmrakhỏikhuônởvịtrítáchkhuôn,giámsát,làmsạch,điều
Cấp hệ thống:Điềukhiểnrobotthựchiệncácnhiệmvụnằmtrongdâychuyền
sảnxuất.Cấpđiềukhiểnnàythườnglàhệthốngmáytínhđiềukhiểntrungtâm
đưaracáclệnhđiềukhiểnthôngquamạngtruyềnthông.
Cấp điều khiển quỹ đạo:Tínhtoánquỹđạodichuyểncủataymáytừđótính
toánraquỹđạovịtrítốcđộcủatừngkhớp.Cấpnàycóthểsửdụngcácmáytính
côngnghiệphoặccácmạchvixửlý,viđiềukhiển,bộđiềukhiển,bộkhuếchđại
côngsuấtđượccungcấpbởicáchãngSiemens,Omron,Maxon.
13
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
Cấp điều khiển chấp hành:Làcấpđiềukhiểncáccơcấuchấphành(độngcơ
servo,xilanhthủylực…)thựchiệncácchuyềnđộngtheovịtrí,tốcđộđặtra.
Cấpnàylàcáchệđiềukhiểntruyềnđộngvớicácmạchvòngđiềukhiểnvịtrítốc
độdòngđiện…Vàsựphứctạpcủahệtruyềnđộngnàylàsựthayđổimomentải
củacácđộngcơlàrấtnhiềukhicáccánhtayrobotvươnraxavàcolạigần.Vì
vậyđòihỏiphảisửdụngcácbộđiềukhiểnphứctạp.
Tuynhiên,khôngphảitấtcảcácrobotđềuthựchiệnđiềukhiểntheocáccấpđiều
khiểnnhưvậy,cónhữngrobotchỉhoạtđộngtheotrìnhtựbằngcáccôngtắcvịtrí,hành
trìnhvớihệthốngtruyềnđộnghở.
Vìvậy,phầncứngcủahệđiềukhiểntruyềnđộngrobotvềbảnchấtlàcáchệtruyền
độngthôngthường:biếntầnđộngcơ,hệđiềukhiểnđộngcơđiệnmộtchiều,xoaychiều,
hệđiềukhiểnđộngcơbước,hệđiềukhiểnthủylực,khínén….Vàtrongcáctayrobot
côngnghiệpthìngườitatíchhợptấtcảthànhphầnnàytrongmộttủđiệnđiềukhiểncác
cơcấuchấphànhcủarobot.
1.6. Phần mềm vận hành và mô phỏng robot
Hiệnnay,córấtnhiềuphầnmềmgiúpchongườivậnhànhcóthểthiếtkếvàmô
phỏnghoạtđộngcủarobotmộtcáchhiệuquảvàchínhxác.Quansátmộtcáchtrực
quansựchuyểnđộngcủarobotmàkhôngcầnphảilàmthựctế,chúngtacóthểkểđến
mộtsốphầnmềmđượcứngdụngphổbiến:
Matlab & Simulink:Làcôngcụhỗtrợchoviệchọctoán,giảiquyếtgiúpngười
họcnhữngvấnđềkhókhăncũngnhưmôphỏngnhữngbiểuđồ,đồthị…vàđược
Hình 1.11: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Kiểu điều khiển thích nghi:làtổnghợpcáckĩthuậtnhằmtựđộngchỉnhđịnhcác
bộđiềuchỉnhtrongmạchđiềukhiểnnhằmthựchiệnhayduytrìởmộtmứcđộ
15
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
nhấtđịnhchấtlượngcủahệkhithôngsốcủaquátrìnhđượcđiềukhiểnkhông
biếttrướchaythayđổitheothờigian.
Hình 1.12: Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi dựa theo mô hình
Kiểu điều khiển Back-steping:haycòngọilàkiểucuốnchiếulàmộtphương
phápthiếtkếbộđiềukhiểnnhiềutriểnvọngchođốitượngphituyến.Kiểuđiều
khiểnnàythựcsựthểhiệnsứcmạnhcủanókhiđượcápdụngchohệthốngcó
nhữngthànhphầnbấtđịnh.
Hình 1.13: Sơ đồ khối bộ điều khiển Back-steping
Bêncạnhđócòncórấtnhiềucáckiểuđiềukhiểnkhácnhau:kiểuđiềukhiểnmờ,
kiểuđiềukhiểnphảnhồituyếntính,kiểuđiềukhiểntrượt,kiểuđiềukhiểnmờ-noron.
Tùythuộcvàotừngđiềukiệnlàmviệc,yêucầukĩthuậtvàmôhìnhđốitượngmàta
chọnthuậttoánđiềukhiển
16
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT
Sửdụngphầnmềmthiếtkế3DSolidwork
2.1 Mô hình 3D của robot 6 bậc tự do RRRRRR
Môhìnhrobotkhônggian6bậctựdođcthiếtkếnhưsau:
Hình 2.1: Mô hình 3D của ROBOT PUMA
Hình 2.9 Khâu 6
21
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC ROBOT.TÌM
MIỀN LÀM VIỆC CỦA ROBOT
3.1 Đặt hệ trục tọa độ
Hình 3.1 Hệ trục tọa độ của robot trong mô hình 3D
-TheoDenavit–Hartenberg(1955)đãquyướchệtọađộDecardgắnvàomỗikhâu
củamộttaymáyRobotnhưsau:
*Trục
đượcchọndọctheotrụccủakhớpthứ(i+1).
Hướngcủaphépquayvàphéptịnhtiếnđượcchọntùyý.
*Trục
đượcxácđịnhdọctheođườngvuônggócchunggiữatrụckhớpđộng
trùngvớitrục′
(
//′
)
:dịchchuyểntịnhtiếdọctrục
đểgốctọađộ
chuyểnđến′
làgiaođiểm
củatrục
vàtrục
:dịchchuyểndọctrục
đểđiểm′
chuyểnđếnđiểm
1 0
1
*
0 -90
0
2
2
d
2
*
2
a
0
3 0
3
*
3
a
90
0
4
4
làcácbiếnkhớp,còn
2 3 2 4 6
a ,a ,d ,d ,d
làcáchằngsố
q=[q
1
,q
2,
q
3
q
4
,q
5,
q
6
]vớilàcácgócxoaycácbiếnkhớp
-DạngtổngquátcủamatrậnDenavit-Hartenbergchocáckhâu
23
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
i-1
A
i
=
i i i i i i i
i i i i i i i
i i i
cos
θ sin θ cosα sin θ sin α a cosθ
sin
-MatrậnDenavit-Hartenbergcủakhâu2:
2 2 2 2
2 2 2 2
1
2
2
cosθ -sinθ 0 a cosθ
sinθ cosθ 0 a sinθ
A =
0 0 1 d
0 0 0 1
-MatrậnDenavit-Hartenbergcủakhâu3:
3 3 3 3
3 3 3 3
2
3
cosθ 0 sinθ a cosθ
sinθ 0 -cosθ a sinθ
A =
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
5 5
5 5
4
5
cosθ 0 sinθ 0
sinθ 0 -cosθ 0
A =
0 1 0 0
0 0 0 1
-MatrậnDenavit-Hartenbergcủakhâu6:
6 6
6 6
5
6
6
cosθ sinθ 0 0
sinθ -cosθ 0 0
A =
0 0 1 d
0 0 0 1
[1,2]=-(((C1.C2.C3-C1.S2.S3).C4-S1.S4).C5+(-C1.C2.S3-C1.S2.C3).S5).S6+(-
(C1.C2.C3-C1.S2.S3).S4-S1.C4).C6
0
A
6
[1,3]=((C1.C2.C3-C1.S2.S3).C4-S1.S4).S5-(-C1.C2.S3-C1.S2.C3).C5
0
A
6
[1,4]=(((C1.C2.C3-C1.S2.S3).C4-S1.S4).S5-(-C1.C2.S3-
C1.S2.C3)C5).d6+(C1.C2.S3+C1.S2.C3).d4+C1.C2.a3.C3-C1.S2.a3.S3+C1.a2.C2-
S1.d2
0
A
6
[2,1]=(((S1.C2.C3-S1.S2.S3).C4+C1.S4).C5+(-S1.C2.S3-S1.S2.C3).S5).C6+(-
(S1.C2.C3-S1.S2.S3).S4+C1.C4).S6
0
A
6
[2,2]=-(((S1.C2.C3-S1.S2.S3).C4+C1.S4).C5+(-S1.C2.S3-S1.S2.C3).S5).S6+(-
(S1.C2.C3-S1.S2.S3).S4+C1.C4).C6
0
A
6
[2,3]=((S1.C2.C3-S1.S2.S3).C4+C1.S4).S5-(-S1.C2.S3-S1.S2.C3).C5
25
Sinhviênthựchiện:NguyễnHàNam
0
A
A
6
[4,3]=0
0
A
6
[4,4]=1
-Matrận
0
6
A
chotabiếthướngvàvịtrícủakhâuthaotáctronghệtọađộcốđịnhhay
nóicáchkháclàvịtrícủađiểmtácđộngcuốivàhướngcủahệtọađộđộnggắnvào
khâutạiđiểmtácđộngcuốitronghệtọađộcốđịnh.Vìthếnócònđượcbiểudiễnqua
thôngsốcácbiếnkhớptatạmgọilàq
i.
Trongbàitoáncụthểthìnólàcáckhớpxoayθ
i
,
vớii=1÷6.
-Khiđó,matrận(3.8)đượckíhiệuthành
0
6
( )A q
SửdụngcácgócCardanxácđịnhhướngcủavậtrắn.Tagọi
, , , , ,
E E E
x y z
Z
0
Y
0
Z
0
.Docáctọađộthaotácđềulàhàmcủathờigian.
Nêntacóthểbiểudiễn:
0 0
0
( ) ( )
( )
0 1
n E
n
T
R t r t
A t
Với:
0
E
A
làmatrậnCardanmôtahướngEX
3
Copyright: Tài liệu đại học ©